(57)【要約】【課題】磁性体内の磁化状態を高いエネルギ−変換効率で反転する方法を提供し、外部磁場による磁化状態を変化させる磁気デバイス全般のエネルギ−消費量を大幅に削減する磁性スイッチング素子及びそれを用いたメモリを提供する。【解決手段】本発明の磁性スイッチング素子は、少なくとも１つの転移体(1)と、少なくとも１つの電極(2)と、少なくとも１つの自由磁性体(3)を含む磁性スイッチング素子であって、転移体(1)は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、転移体(1)の上に電極(2)及び自由磁性体(3)を並列に非接触で配置し、自由磁性体(3)の少なくとも１つと転移体(1)は磁気的に結合され、転移体(1)は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことにより、自由磁性体(3)の少なくとも一つの磁化方向を変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含む磁性スイッチング素子であって、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことにより、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させることを特徴とする磁性スイッチング素子。
【請求項２】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記転移体と前記磁化安定体が磁気的に結合され、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つである請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項３】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記自由磁性体と前記磁性体との間に前記転移体が磁気的に結合して配置され、
かつ前記磁性体と前記磁化安定体が磁気的に結合されており、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つである請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項４】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁性体と、
少なくとも１つの非磁性体を含み、
前記自由磁性体と前記転移体が磁気的に結合され、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項５】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの非磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体とを含み、
かつ前記転移体と前記磁化安定体が磁気的に結合され、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項６】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも２つの磁性体と、
少なくとも１つの非磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記自由磁性体と前記磁性体との間に前記転移体が磁気的に結合して配置され、
かつ前記磁性体の一方と前記磁化安定体が磁気的に結合されており、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項1に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項７】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起がない状態で、常磁性又は非磁性である請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項８】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも常磁性−強磁性転移を行い、且つ前記常磁性−強磁性転移時に、外部磁場をアシストすることで、前記転移体の強磁性状態での磁化方向を変化させる請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項９】
前記転移体は、さらに少なくとも絶縁体を介して電極と対向しており、少なくとも前記転移体と電極間に電圧を印加することにより、前記転移体が磁気的転移を起す請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１０】
前記転移体は、RE1-xAExMEO3（但し、ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素、ＡＥはアルカリ土類金属、Ｍは遷移金属元素、ｘは０＜ｘ≦１）である請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１１】
前記磁性体、自由磁性体及び磁化安定体から選ばれる少なくとも一つは、強相関電子材料である請求項３に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１２】
前記強相関電子材料は、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族及び２Ｂ族から選ばれる少なくとも一つの元素を含むペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質である請求項１１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１３】
前記強相関電子材料は、ＲＥ−ＭＥ−Ｏ（ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、ＭＥは遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）である請求項１２に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１４】
前記強相関電子材料は、ＲＥ−ＡＥ−ＭＥ−Ｏ（ＲＥはＹを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、ＡＥはアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも１種、ＭＥは遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）である請求項１２に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１５】
電圧スイッチと、前記電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、前記転移体により磁化方向を変化させる自由磁性体と、前記自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えたメモリであり、
前記電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子を含み、
前記半導体スイッチ素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含み、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子を含むランダムアクセス型メモリ。
【請求項１６】
前記転移体は、RE1-xAExMEO3（但し、ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素、ＡＥはアルカリ土類金属、Ｍは遷移金属元素、ｘは０＜ｘ≦１）である請求項１５に記載のランダムアクセス型メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、回転速度検出用の角速度磁気センサ−、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱や化学反応による磁気抵抗効果の変化を利用した熱センサ−や化学反応センサ−に代表される磁気抵抗センサ−や、磁気ランダム・アクセス・メモリ、リコンフィギュアブルメモリなどに代表する磁気固体メモリ、又は磁気による電流スイッチ（磁気スイッチ）素子と、電圧による磁化反転を行う電圧磁化スイッチ素子等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性を用いたメモリは、磁性体の有するスピンの情報をメモリとして蓄える故に、不揮発なメモリを実現でき、これからの省電力・高速情報端末の実現に優れたデバイスの一つであると考えられている。これまでに、非磁性膜を介して交換結合した磁性膜より成る人工格子膜が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示すことが発見され（非特許文献１）、ＧＭＲ膜を用いたＭＲＡＭの提案もなされた（非特許文献２）。前記のＧＭＲ膜の非磁性層はCu等の導体膜であるが、非磁性層にAl2O3等の絶縁膜を用いたトンネル型ＧＭＲ膜（ＴＭＲ）の研究も盛んとなり、このＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭも提案されている。ＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭはＧＭＲ膜のものよりも大きな出力と高密度メモリの実現が期待されている。それに伴い、ＤＲＡＭ等の高密度メモリの代替の可能性も検討され始めており、将来の超高密度メモリを目指した、数ナノから数十ナノメートルサイズでのアーキテクチャの確立が待たれている。数ナノから数十ナノメートルサイズのように、伝導に量子的な影響が強く表れるようサイズ領域になると、従来とは一線を画する素子アーキテクチャが必要とされる。磁性を用いたメモリは、量子であるスピンの情報をメモリとして蓄えているため、スピン情報を直接伝送する、又は、伝送スピンを直接制御するといった、新しい素子及び回路として期待されている。
【０００３】
また、本来、磁性体内の磁化状態は、交換エネルギ−、結晶磁気異方性エネルギ−、静磁エネルギ−、外部磁場によるゼ−マンエネルギ−の和によって決定されることが知られている。このうち、磁化反転を誘起するために制御可能な物理量は、静磁エネルギ−とゼ−マンエネルギ−であり、磁気デバイスの磁化状態を電気的エネルギ−により制御する場合、従来、電流が流れる際に発生する磁界を利用することで行われてきた（特許文献１）。
【非特許文献１】M. N. Baibich et.al., Phys. Rev. Lett. 61 (1988) p2472
【非特許文献２】K. T. M. Ranmuthu et.al., IEEE Trans. on Magn. 29 (1993) p2593
【特許文献１】特開２００３−９２４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、例えば、線電流による磁場発生のエネルギ−変換効率は、１％程度しかない。さらに、線電流の場合、磁界強度は距離に反比例する関係にある。多くの場合、線電流を流す導線と、ここから発生する磁場を利用する磁気でバイアス間には、絶縁体をもうける必要があるために、この変換効率は１％よりさらに低下する。これらのことが、電気的エネルギ−による磁化状態の制御を行う必要がある磁気デバイスの工業的普及を妨げてきた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するため、磁性体内の磁化状態を高いエネルギ−変換効率で反転する方法と、その好ましいデバイス構成例を提供することで、外部磁場による磁化状態を変化させる磁気デバイス全般のエネルギ−消費量を大幅に削減する磁性スイッチング素子及びそれを用いたメモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の磁性スイッチング素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含む磁性スイッチング素子であって、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことにより、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させることを特徴とする。
【０００７】
本発明のランダムアクセス型メモリは、電圧スイッチと、前記電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、前記転移体により磁化方向を変化させる自由磁性体と、前記自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えたメモリであり、
前記電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子を含み、
前記半導体スイッチ素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含み、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも１つの転移体（転移層）と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体（自由磁性層）があり、自由磁性層の少なくとも１つと転移層が磁気的に結合され、転移層が、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性発現の磁性相転移を行うことで、自由磁性層の磁化方向を変化させ、その自由磁性層の磁化情報を記録し読み出す磁気メモリや、磁気抵抗効果部の抵抗変化を利用した様々な磁気デバイスとして利用することができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むベロブスカイト化合物であり、前記転移体の上に電極及び自由磁性体を並列に非接触で配置するところに構成上の特徴がある。希土類元素としては、例えばＳｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等を挙げることができる。アルカリ土類金属としては、例えばＣａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａ等を挙げることができる。ベロブスカイト化合物としては、例えばNd0.5Sr0.5MnO3，La0.8Sr0.2CoO3，La0.2Sr0.8RuO3，La0.8Ca0.2VO3，Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.7Ca0.3CrO3，Gd0.9Ba0.1FeO3，La0.9Sr0.1NiO3等を挙げることができる。前記において、転移体の上に電極及び自由磁性体を並列に非接触で配置するとは、電極と自由磁性体とを非接触状態で配置することを意味する。すなわち、電極と自由磁性体とは離間した状態で配置される。
【００１０】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体の少なくとも１つと転移体が磁気的に結合され、かつ転移体と磁化安定体が磁気的に結合され、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１１】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体と磁性体との間に転移体が磁気的に結合して配置され、かつ磁性体と磁化安定体が磁気的に結合されており、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１２】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体があり、自由磁性体と転移体が磁気的に結合され、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１３】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体の少なくとも１つと転移体が磁気的に結合され、かつ転移体と磁化安定体が磁気的に結合され、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１４】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも２つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体と磁性体との間に転移体が磁気的に結合して配置され、かつ磁性体の一方と磁化安定体が磁気的に結合されており、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１５】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起がない状態で、常磁性又は非磁性であることが好ましい。
【００１６】
また転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも常磁性−強磁性転移を行い、且つ前記常磁性−強磁性転移時に、外部磁場をアシストすることで、前記転移体の強磁性状態での磁化方向を変化させることが好ましい。
【００１７】
また、少なくとも絶縁体を介して対向する転移体と電極があり、少なくとも転移体と電極間に電圧を印加することにより、転移体が磁気的転移を起す磁性スイッチング素子であることが好ましい。
【００１８】
本発明において、少なくとも転移体、磁性体、自由磁性体、磁化安定体の何れかが、強相関電子材料であることが好ましい。
【００１９】
強相関電子材料として、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族から選ばれる元素を少なくとも１つを含んだペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質を挙げることができる。
【００２０】
また強相関電子材料として、RE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２１】
また強相関電子材料として、RE-AE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、AEはアルカリ土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、転移体と磁気結合するように配したことにより、磁化方向を変化させうる自由磁性体と、その自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えた磁気メモリを構成できる。このとき、電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリを構成できる。
【００２３】
さらに、本発明の磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構成を用いたリコンフィギュアブルメモリをも提供することができる。
【００２４】
転移層として用いる材料（すなわち、転移体）として、強相関電子系材料を主成分とするのが好ましく、母材としては、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族から選ばれる元素を少なくとも１つを含んだペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質であることが好ましい。ここでの物質には、Ruddlesden-Popper相やAuriviellius相も含まれる。
【００２５】
また特に強相関電子材料として、RE-ME-O（REは、Yを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。たとえばMEとして、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。またさらにAE元素を一部含んだ、RE-AE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、AEはアルカリ土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２６】
転移層を構成するより好ましい材料（すなわち、転移体としてより好ましい材料）としては、RE1-xAExMEO3なる一般式で表される結晶材料を基本とする材料である。このとき、ｘは０＜ｘ≦１を満足する範囲が好ましい。この際、ｘが０や１の物質の多くは半導層又は絶縁層であり、キャリアの注入によって磁性相転移誘起が困難である。ところが、ｘがＭＥ元素の種類によってきまる特定の値及びその近傍には、スピン相関によって電子系が支配される強相関効果が顕著に表れるようになり、系の相変化が発現する。
【００２７】
本発明は、強相関性による磁性相変化を用いたスイッチング素子であるが、転移層の物質によって、電界印加の無い状態で反強磁性を、電界印加の下で強磁性を示すだけでなく、電界印加無しで強磁性、電界印加の下で反強磁性を示すものも得られる。または電界印加無しで常磁性、電界印加の下で強磁性を示すものも得られる。これらを使い分ければ、転移層と磁気的に結合した自由磁性層の磁化方向を動かしたり、保持力を強めたり、弱めたりと制御が可能となる。
【００２８】
また絶縁層に用いられる材料としては、絶縁層又は半導層であれば何れでも良いが、特にMg, Ti, Zr, Hf, V, Nb,Ta,Crを含む IIa〜VIa、La , Ceを含む ランタノイド、Zn, B, Al, Ga, Siを含む IIb〜IVbから選ばれた元素と、Ｆ、O、Ｃ、Ｎ、Ｂから選ばれた少なくとも元素との化合物、又はポリイミドやフタロシアニン系有機分子材料であることが好ましい。
【００２９】
また、電極の好ましい材料としては、Cu,Al,Ag,Au,Pt,TiNを初め、抵抗率が100μΩ・cm以下の材料であれば何れでも良い。
【００３０】
また磁化安定層としては、高保持力磁性層、積層フェリ磁性層、反強磁性層又は積層フェリ磁性層と反強磁性層の多層膜であるのが好ましく、高保持力磁性層としては、CoPt,FePt,CoCrPt,CoTaPt,FeTaPt,FeCrPtなどの保持力が100Oe以上である材料が好ましく、また反強磁性層としては、PtMn,PtPdMn,FeMn,IrMn、NiMn等が好ましく、また積層フェリ磁性層としては、磁性層と非磁性層の多層構造を持ち、ここで用いられる磁性層として、Co又はCoを含んだFeCo,CoFeNi,CoNi,CoZrTa,CoZrB,CoZrNb合金等を用い、またこの際の非磁性層としては、Cu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Re, Os又はこれらの金属の合金、酸化物を用いて構成することが好ましい。
【００３１】
さらに、ZnO:Mn,ZnS:X,ZnSe:X,ZnTe:X（ただしX=Mn, Fe, Co, Niをあらわす）、MnAs、JTiO3:Mn （ただし、J=Mg, Ca, Sr, Baをあらわす）、XF2、ZnF2:X（ただしX=Mn, Fe,Co, Niをあらわす）、CdTe:Mn、CdSe:Xなど、I-V族、I-VI族、II-IV族、II-V族、II-VI族、III-V族、III-VI族、IV-IV族、I-III-VI族、I-V-VI族、II-III-VI族、II-IV-V族などから選ばれ、且つIVa〜VIII、Ｉbから選ばれた少なくとも１種の元素を前記化合物半導層中に含んで誘起される磁性半導層であるのが好ましい。
【００３２】
また、自由磁性層を構成する磁性層としては、Fe, Co, Ni, FeCo合金, NiFe合金、CoNi合金、NiFeCo合金、又は、FeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN, FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN 等の窒化物、酸化物、炭化物、硼化物、フッ化物磁性層に代表されるTMA (Tは、Fe, Co, Niから選ばれた少なくとも１種, Mは、Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Al, Si, Mg, Ge, Gaから選ばれた少なくとも１種、またＡは、N, B, O, F, Cから選ばれた少なくとも１種)、又は(Co, Fe)M （Mは Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cu, Bから選ばれた少なくとも１種）、又はFeCr、FeSiAl, FeSi, FeAl, FeCoSi, FeCoAl,FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)(Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt等に代表されるTL (TはFe, Co, Niから選ばれた少なくとも１種、ＬはCu, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Os, Ru, Si, Ge, Al, Ga, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luから選ばれた少なくとも１種 )等の強磁性層、又はFe3O4若しくはXMnSb (Xは、Ni, Cu, Ptから選ばれた少なくとも一つ), LaSrMnO, LaCaSrMnO, CrO2に代表されるハ−フメタル材料、又はＱDA(ＱはSc, Y, ランタノイド, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Znから選ばれた少なくとも１種、AはC, N, O, F, Sから選ばれた少なくとも１種、Dは、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも１種)、又はGaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN等のRDA （Rは、B, Al, Ga, Inから選ばれた１種、Dは、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni から選ばれた1種、AはAs, C, N, O,P, Sから選ばれた1種）等に代表される磁性半導層、又は、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物が好ましい。
【００３３】
次に、図面を用いて説明する。図１Ａ−Ｂは、転移層１の上に電極２及び自由磁性層３を非接触で配置した構成を示している。ここで自由磁性層３と転移層１は磁気的に結合しており、転移層１の磁性相変化によって、結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層１の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００３４】
図２Ａは、転移層１を介して面内に電極２／反強磁性層４の多層体と自由磁性層３を非接触で配置した構成を示し、図２Ｂは転移層１を介して面内に電極２／反強磁性層４／強磁性層５の多層体と自由磁性層３を非接触で配置した構成を示している。図２Ａでは、転移層１は自由磁性層３及び反強磁性層４と互いに磁気的に結合されている。図２Ｂでは、転移層１は自由磁性層３及び強磁性層５と互いに磁気的に結合されている。いずれの構成においても、転移層１の磁性相変化によって、結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層１の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００３５】
図３Ａのように、キャリアの注入を効率よく行うために、電極２と転移層１との間に絶縁層６を配するのが好ましい。この際、転移層１の上には面内に自由磁性層３と、電極２／絶縁層６であったり、電極／絶縁層／磁化安定層であったり、電極２／絶縁層６／反強磁性層（磁化安定層）４／強磁性層５であったりするのがよい。また図３Ｂに示すように転移層１は薄膜層で基層７上に構成するのももちろん好ましい。基層７としては、ペロブスカイト物質が好ましい。
【００３６】
さらに、図４Ａ−Ｂに示すように、図１から図３にて示した構成に加えて、自由磁性層３を含んで、自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９なる磁気抵抗変化がある多層膜１０を形成し、磁性スイッチング素子とする。この多層膜１０は磁気抵抗素子部を構成している。すなわち、図２４に示すように電圧制御の磁気メモリ素子を構成することができる。同図において、６１は磁性スイッチング素子、６２は磁気抵抗素子部である。この際、メモリ素子は磁気抵抗素子を非磁性層を介した２つの強磁性層の磁化方向の平行・反平行を実現することによってメモリ動作を行う。
【００３７】
次に、図５Ａに示すように、転移層１の上の面内に配した電極２と１１と、その中間に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９からなる多層体１０を配置し、電極２と１１との間に電圧印加をすることにより、転移層１を変化させ、転移層１上の磁性多層体１０の磁気抵抗を変化させることができる。
【００３８】
図５Ｂに示すように、電極２の下には強磁性層５と反強磁性層４と絶縁層６からなる多層層１５を形成し、電極１１の下には強磁性層１２と反強磁性層１３と絶縁層１４からなる多層層１５’を形成してもよい。
【００３９】
このような面内方向の配置によるスイッチング動作には、転移層の有する磁気相変化が層全層に広がるという特性により実現している。これは転移層として強相関電子系材料を用いるために、特徴的なフィリング制御が引き起こされるためと考えられる。このことから、図１〜図５では典型的な断面構成について示したが、図６Ａ−Ｂのような面内配置をとっても所望のデバイスを実現することができる。図６Ａは図５Ｂの斜視図である。図６Ｂは転移層１の上の中央に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９からなる多層体１０を配置し、その周囲を取り囲むように間を非接触で多層膜１５を形成する。
【００４０】
図７Ａは、別な構成を示している。電極１６、転移層１の順に配した転移層１上に面内配置にて電極２及び自由磁性層３を配置した構成を示している。図１−図６で示した構成に比べ、電極間での電圧印加が積層方向にて可能なため、製造上電極間を小さくでき、低電圧駆動が可能となる。図７Ｂに示すように、転移層１の磁性相変化により結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００４１】
図８に示すように、電極１６の上に転移層１を形成し、その上に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９なる磁気抵抗変化がある多層膜１０を形成し、本発明の磁性スイッチング素子を実現できる。
【００４２】
図９にて示すように、電極１６の上に強磁性層１７と、その上に転移層１として下地層を形成し、転移層１の上に、面内配置にて電極２および自由磁性層３を配置してもよい。この場合には、転移層１の磁性相変化の際、転移層１の磁化方向を磁気結合した強磁性層１７の磁化で制御することができる。特に、このような面内配置の場合、面内の磁区制御にも効果的であって好ましい。
【００４３】
上記本発明の構成は、通常の薄膜プロセスと微細加工プロセスを用いて、実現できる。各磁性層、反強磁性層、層間絶縁層、電極等の形成には、パルスレ−ザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ム又はＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰ又は対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等のＰＶＤ法や、その他ＣＶＤ、メッキ法又はゾルゲル法で作製することができる。
【００４４】
また微細加工としては、半導層プロセスや、ＧＭＲヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＦＩＢ等の物理的又は化学的エッチング法や、微細パタ−ン形成のためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を組み合わせることで達成できる。また電極等の表面平坦化のために、ＣＭＰや、クラスタ−イオンビ−ムエッチングを用いることも効果的である。
【００４５】
またこれまで述べてきた構成の磁性スイッチング素子を使用することで、磁気メモリが作製できる。
【００４６】
図１７Ａ−Ｂは、マトリクス状にメモリ素子が配置された場合の一例を示した。図１７Ａは書き込み時の場合で、端子３８−端子３９の間に電圧を印加し、転移層１の磁性を誘起し、自由磁性相３へ磁化情報を書き込むものとする。端子３８はワード線１（３３）に接続され、端子３９はワード線２（３６）に接続されている。この際、同時にワード線１（３３）あるいはワード線２（３６）に電流を流して磁界を発生させて、磁化回転をアシストさせても好ましい。
【００４７】
また読み込み時には、図１７Ｂにて示すように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２をＯＮすることで、端子４０−端子４１に現れる抵抗を検出する。端子４０はビット線３４に接続され、端子４１はＦＥＴ３５のドレイン電極側に接続されており、センス線３５はＦＥＴのゲート電極側に接続されている。実際の検出には、図１０に示すような差動検出を行うのが好ましく、端子４０−端子４１に現れる電圧から得られる磁気抵抗素子１０（図１０では磁気抵抗素子１８）の抵抗値と、比較抵抗２３から得られる抵抗値との差を求めることで、その差を検出する。比較抵抗には、磁気抵抗素子の一つを用いるのが好ましい。こうすることで、磁気抵抗で発生した抵抗変化分を効果的に検出することができる。また、配線抵抗を含めた比較抵抗との出力差をとることで、配線抵抗および比較抵抗の基準素子抵抗をキャンセルすることができるため、高Ｓ／Ｎ化が容易に実現できる上で好ましい。図１０は差動検出の際の、一般的な差動増幅の一例を示したものであるが、磁気抵抗素子１８の抵抗から得られる電圧の前値増幅器１９で増幅した電圧Ｖｍｅｍと比較抵抗素子２３の抵抗から得られる電圧の前値増幅器２２で増幅した電圧Ｖｒｅｆとの差を差動増幅器である主増幅器２０を用いて、｜Ｖｍｅｍ−Ｖｒｅｆ｜の電圧を出力２１として得るものである。
【００４８】
なお、図１７ではＦＥＴをメモリ素子の選択素子として用いた例を示したが、ダイオードのような整流素子を用いても同様の動作が可能である。
【００４９】
図１１および図１２は、磁気ランダムアクセスメモリとして構成した場合の構成の様子を示している。メモリ素子としては、図２４における磁性スイッチング素子６１に相当する部分である７３と、磁気抵抗素子部６２に相当する部分に７４とで構成されている。メモリ情報の書き込みには、まず図１１のようにワード線１（２８）とワード線２（２７）を用いて、転移層への電圧印加を行い、磁性スイッチング素子部７３のスイッチングを利用して、磁気抵抗素子部７４の磁性層の磁化変化としてのメモリ書き込みを行う。それぞれの素子の選択には、周辺に配したパストランジスタ７１のスイッチングにより行う。またメモリ内容の読み出しには、図１２にて示すように、ビット線２６とセンス線７２との間の抵抗（定電流印加では、その際の電圧値Ｖ）を出力して検出する。検出の際には、図１３に示すように、素子抵抗分（図１３では磁気抵抗素子７４）の電圧Ｖと比較抵抗分（図１３では比較抵抗素子７５）Ｖｒｅｆとの差を、図１０の原理を用いて、差動検出するのが良い。比較抵抗素子は、場合に応じて図１３に示すように、素子アレイの適切なブロック毎に、比較抵抗素子行（図１３では７６）あるいは比較抵抗素子列のように配置することが、選択するパストランジスタが少なくて良い。
【実施例】
【００５０】
更に具体的な実施の例を以下に示す。
【００５１】
（実施例１）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００５２】
サンプル１−１
左から順に、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(100)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Cu(3)/ Co0.9Fe0.1(20) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【００５３】
NdBa2Cu3O7層やNd0.5Sr0.5MnO3層はPLDにて約６００-８００℃（典型的には７５０℃）の基板温度にて作成され、NiFe,Cu,CoFe各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。
【００５４】
ＰＬＤとスパッタの工程には、in-situ搬送により高真空を保って試料移動を行った。
【００５５】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。
【００５６】
作成の工程は図２０Ａ−Ｉにて示すように行った。まず図２０Ａは作成した多層膜の様子を示したもので、基層４１、電極４２、転移層４３、自由磁性層４４、非磁性層４５、固定磁性層４６がこの順番に積層されている。固定磁性層４６には上部に反強磁性層およびキャップ電極層を含んでも良い。ここで、自由磁性層４４、非磁性層４５、固定磁性層４６は磁気抵抗素子部５０を構成する部分となる。まず、図２０Ｂにて、下部電極のレイアウトを決めるためのパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて、パターンレジストと同じ形状に電極４２〜固定磁性層４６までのパターンを形成する。続いて、図２０Ｃにて示すように、転移層のレイアウトを決めるために、先と同様にパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて転移層４３〜固定磁性層４６までのパターンを形成する。次に、図２０Ｄにて示すように、自由磁性層のレイアウトを決めるために、先と同様にパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて自由磁性層４４〜固定磁性層４６までのパターンを、図２０Ｅでは、同様に非磁性層４５〜固定磁性層４６までのパターン化を行う。イオンミリングなどの手法を用いて作成したパターン化によって、図２０Ｆに示すように、非磁性層４５〜固定磁性層４６からなるメサ構造が形成できる。メサ構造には、図では示していないが、自由磁性層を含んでも良い。メサ構造を形成する際に残っているレジストを残したまま、図２０Ｇのように、この上に層間絶縁層４９を堆積し、リフトオフ工程を経て、図２０Ｈに示すように、電極４７を堆積し、電極４７を所望のパターンに先と同様の手法を用いて加工することで、図２０Ｉに示す構造を有する評価素子を得る。図２０Ｉにて示す構造は、図１９に示す構造と同様であり、図１９の端子（Ｂ）５３をビット線、端子（Ｓ）５２をセンス線、端子（Ｗ１）５６をワード線１、端子（Ｗ２）７７をワード線２として接続して評価を行った。
【００５７】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性や対プロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。
【００５８】
ここでNdBa2Cu3O7層は伝導性酸化物で電極としてNd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、NiFe層は自由磁性層、Cu層は非磁性層、CoFe層は固定磁性層として設けている。ここで、Ni0.81Fe0.19/Cu/Co0.9Fe0.1の磁性多層膜はCPP型GMRの構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【００５９】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【００６０】
まず、図１９Ａにて示した、あらかじめＢ端子４８−Ｓ端子４９間において抵抗を測定し、次にＳ端子４９−Ｗ端子５０間に電圧印加を行い、Ｓ端子４９−Ｗ端子５０間を切り離したあと、再びＢ端子４８−Ｓ端子４９間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。電極４２―自由磁性層４４間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約１０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。なお測定温度範囲は４Ｋから３７０Ｋにて行い、約２００Ｋ以下での現象が確認された。
【００６１】
前記Ｂ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【００６２】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【００６３】
このような本発明の所望の特性が得られたことには、電極及び転移層との結晶学的な整合性が良いことが重要で、両者ともにペロブスカイト型（類縁物質も含む）酸化物を用いたことにより両者の好ましい相性によって実現されたと考えられる。
【００６４】
図１９で示した構成において、CoFe磁性層の上に、反強磁性を有するNiO,MnAs,PtMnなどを堆積した。本構成にて、Ｂ−Ｓ端子間の磁気抵抗特性はスピンバルブ型に特徴的な磁気抵抗特性を示しており、CoFe磁性層は、反強磁性層と磁気結合し、磁化方向の固定が施されたことが予想される。すなわち本発明における本構成により、転移層に接した自由磁性層を、電圧印加による磁化情報制御可能な素子として実現できた。
【００６５】
またサンプル１−１以外にも、サンプル１−２として、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Cu(3)/ Co0.9Fe0.1(5)/ Ru(0.9)/ Co0.9Fe0.1(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。ここでCo0.9Fe0.1(5)/ Ru(0.9)/ Co0.9Fe0.1(5)/ IrMn(15)はシンセティックフェリ型の反強磁性結合構造による固定磁性層を形成している。
【００６６】
サンプル１−２においても、サンプル１−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００６７】
さらに、サンプル１−３として、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/強磁性/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。
【００６８】
ここでNi0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)は自由磁性層として、Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)は固定磁性層を形成している。Al2O3層は絶縁性非磁性層で、Ni0.81Fe0.19/ Co0.5Fe0.5/ Al2O3/ Co0.5Fe0.5/ Ru/ Co0.5Fe0.5/ IrMn にてトンネル型磁気抵抗変化部を構成している。
【００６９】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製と、Al2O3をそのままスパッタして作製を行った。後酸化工程においては、真空漕内での自然酸化によるもの、真空漕内での加温下での自然酸化によるもの、又は真空漕内でのプラズマ中においての酸化によって行ったが、いずれの工程に対してもトンネルバリアとして機能する良好な非磁性絶縁膜が得られた。なお、後酸化工程を行う際に、Al製膜、自然酸化、Al製膜、自然酸化、と多段階に行うことで、酸化膜の均一性が向上するだけでなく、酸化時間の短縮ができることがわかった。
【００７０】
サンプル１−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても転移層への電圧印加前後で抵抗変化３０％以上を示し、磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００７１】
本実施例では、電極としてNdBa2Cu3O7なる酸化物伝導層を用いたが、これ以外にもREBa2Cu3O7（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた）でも転移層、及び基板との相性が好ましく、実現可能だった。
【００７２】
また本実施例では、基板としてMgOを用いたがLaAlO3やNdGaO3,SrTiO3,LaSrAlTaO4など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【００７３】
ただし、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００７４】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた。）を採用しても所望の素子を実現できる。
【００７５】
（実施例２）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００７６】
左から順に、サンプル２−１として、SrTiO3(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)の積層体を作成した。
【００７７】
NdBaCuO層やNdSrMnOの各層はPLDにて約６００-８００℃の基板温度にて作成され、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。
【００７８】
ＰＬＤとスパッタの工程には、in-situ搬送により高真空を保って試料移動を行った。
【００７９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０に準じる工程により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。ここでNdBa2Cu3O7層は伝導性酸化物で電極として、SrTiO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【００８０】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【００８１】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【００８２】
まず、図１９にて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にＳ−Ｗ端子間に電圧印加を行い、Ｓ−Ｗ間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。S-W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【００８３】
ここで、絶縁層を介して電極から転移層への電荷注入を施したことで、転移層の磁気相転移が引き起こされたものと考えられる。磁気抵抗変化が十分な利得で得られたことで、絶縁層を介した本実施例の構成が好ましいことがわかった。
【００８４】
前記Ｂ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【００８５】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【００８６】
またサンプル２−１以外にも、サンプル２−２として、NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(200)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Sm00.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ PtMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/絶縁層/反強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはPtMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。ここでCo0.9Fe0.1(5)/Ru(0.9)/Co0.9Fe0.1(5)/PtMn(15)はシンセティックフェリ型の反強磁性結合構造による固定磁性層を形成している。
【００８７】
サンプル２−２においても、サンプル２−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００８８】
さらに、サンプル２−３として、LaSrAlTaO4(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(200)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Sm0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/強磁性/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。
【００８９】
ここでNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)は自由磁性層として、Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)は固定磁性層を形成している。Al2O3層は絶縁性非磁性層で、Ni0.81Fe0.19/ Co0.5Fe0.5/ Al2O3/ Co0.5Fe0.5/ Ru/ Co0.5Fe0.5/ IrMnにてトンネル型磁気抵抗変化部を構成している。
【００９０】
サンプル２−２及びサンプル２−３では、電極としてLa0.7Sr0.3MnO3なる酸化物伝導層を用いたが、これ以外にも(Sr1-xCax)1-yLayRuO3（ただしｘは0≦ｘ≦1、ｙは0≦y≦0.9）やSr1-xLaxTi1-yMEyO3（ただしｘは0≦ｘ≦0.9、ｙは0≦y≦1でME=V又はNb,Ta,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Re,Ru）を用いた場合でも転移層、及び基板との相性が好ましく、実現可能だった。
【００９１】
また本実施例では、基板としてMgOを用いたがLaAlO3やNdGaO3, SrTiO3, (La,Sr)2(Al,Ta)O3など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【００９２】
ただし、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９３】
またSi基板を用いて、Si基板/TiN（下地層）/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al3O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）にて構成しても本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９４】
さらに、MgO(100)を基板として用い、MgO基板/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９５】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた。）を採用しても所望の素子を実現できる。
【００９６】
（実施例３）
マグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００９７】
左から順に、サンプル３−１として、MgO(100)基板/ Pt(500)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)として、積層体を作成した。
【００９８】
SrTiO3層やNdSrMnO3層やLaSrMnO3層の各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、Pt、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。ただし、下部の電極であるPtは後工程の高温での製膜により加温されている。製膜はin-situで行った。
【００９９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。ここでPt層は電極として、SrTiO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、さらにLa0.7Sr0.3MnO3(1.2)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１００】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)の磁性多層膜は、TMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１０１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１０２】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【０１０３】
まず、図１９Ａにて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にＳ−Ｗ端子間に電圧印加を行い、Ｓ−Ｗ間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲で印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１０４】
ここで、絶縁層を介して電極から転移層への電荷注入を施したことで、転移層の磁気相転移が引き起こされたものと考えられる。磁気抵抗変化が十分な利得で得られたことで、絶縁層を介した本実施例の構成が好ましいことがわかった。
【０１０５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１０６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１０７】
また次に、サンプル３−２として、NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(100)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ PrBaMn2O6(50)/ La0.7Ba0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)の積層体を作成した。
【０１０８】
SrTiO3層やLaAlO3層やNdSrMnO層やLaSrMnO層やPrBaMnO層やLaBaMnO層の各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、Pt、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１０９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に準じる構造を作成した。ここでLaSrMnO層は電極として、LaAlO3/SrTiO3/LaAlO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd30.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、PrBaMnO層は転移層として、さらにLa0.7Ba0.3MnO3/Ni0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１１０】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１１１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１１２】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約３０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１１３】
（実施例４）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１１４】
左から順に、サンプル４−１として、NdGaO3(100)基板を用いて、NdGaO3基板/ Nd0.5Sr0.5MnO3(100)/ La0.7Sr0.3MnO3 (1.5) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１１５】
Nd0.5Sr0.5MnO3層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１１６】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図２１Ａ−Ｆに示すような工程にて素子を作製した。図２１Ａにおいて、基層４１とその上の電極４２とその上の転移層４３を形成した。
【０１１７】
その後、図２１Ｂにて転移層４３の加工を、図２１Ｃにてリフトオフ工程を用いた磁性多層膜部５０の形成を行った。用いた磁性多層膜はNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)で構成し、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度で作成を行った。この際、堆積前に転移層の付着物除去を目的として逆スパッタ処理を施した。それに伴い、La0.7Sr0.3MnO3(1.5)層はレジストカバーされてない部分はエッチングされている。
【０１１８】
図２１Ｄにて電極部５１の形成を、図２１Ｅ−図２１Ｆにて自由磁性層４４／非磁性層４５／固定磁性層４６からなる磁性多層膜部５０を加工し、端子５２〜５５を取り付け、磁気抵抗変化部を形成した。
【０１１９】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性や対プロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。この際、堆積前にLa0.7Sr0.3MnO3(10)層への表面エッチングを目的として逆スパッタ処理を施した。
【０１２０】
ここで、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層を、La0.7Sr0.3MnO3(10-逆スパッタ)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１２１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで多段階の酸化工程を経て作製した。
【０１２２】
作製した素子は典型的には図２２Ｂの構成であるが、自由磁性層の配置に応じて図２２Ａの構成のものも作製して評価を行った。
【０１２３】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【０１２４】
まず、図２２Ｂにて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にW1−W2端子間に電圧印加を行い、W1−W2間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲で印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約１０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。なお測定温度範囲は４Ｋから３７０Ｋにて行い、約２００Ｋ以下での現象が確認された。
【０１２５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１２６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１２７】
またサンプル４−１以外にも、サンプル４−２として、NdGaO3基板/ PrBaMn2O6(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.5) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１２８】
PrBaMn2O6層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１２９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図２１に示すような工程にて素子を作製した。
【０１３０】
図２１Ｂにて転移層の加工を、図２１Ｃにてリフトオフ工程を用いた磁性多層膜部の形成を行った。用いた磁性多層膜はNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)で構成し、スパッタにて室温の基板温度での作成を行った。この際、堆積前に転移層の付着物除去を目的として逆スパッタ処理を施した。それに伴い、La0.7Sr0.3MnO3(1.5)層はレジストカバーされてない部分はエッチングされている。
【０１３１】
図２１Ｄにて電極部の形成を、図２１Ｅ−図２１Ｆにて磁性多層膜部を別途加工して磁気抵抗変化部を形成した。
【０１３２】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性や対プロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。この際、堆積前にLa0.7Sr0.3MnO3(10)層への表面エッチングを目的として逆スパッタ処理を施した。
【０１３３】
ここで、PrBaMn2O6層はAサイト秩序型ペロブスカイト構造を有している転移層であり、La0.7Sr0.3MnO3(1.5-逆スパッタ)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１３４】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで多段階の酸化工程を経て作製した。
【０１３５】
W1―W2端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が室温下で検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１３６】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１３７】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１３８】
ここで転移層としてPrBaMn2O6を用いたが、RE1AE1ME2O6にて表される（ただしREは希土類元素で例えばLa,Sm,Gdを、AEはアルカリ土類金属元素で例えばBa,ME遷移金属元素で例えばMn,Coを示す）物質を用いた場合においても同様の結果が得られた。
【０１３９】
また本実施例では、基板としてMgOを用いたがLaAlO3やNdGaO3,SrTiO3,LaSrAlTaO4など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【０１４０】
また、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/ (Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/ Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn)（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、図２２Ｂに示す本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【０１４１】
また次に、サンプル４−４として図２３Ｂの構成を実現した。基板７はNdGaO3(100)基板を、転移層１としてPrBaMn2O6(100)層を、強磁性層５，１２としてLa0.7Sr0.3MnO3(5)層を、反強磁性層４，１３としてNd0.6Sr0.4MnO3(50)層を、絶縁層６，１４としてSrTiO3(50)層を、電極２，１１としてTa(10)/Cu(500)/Pt(50)層を、自由磁性層３としてNi0.81Fe0.19(20) /Co0.5Fe0.5(1)層を、非磁性層８としてAl2O3(2)層を、固定磁性層９としてCo0.5Fe0.5(9)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)層を用いた。そのほか配線用引き出し電極５２〜５５として、Ta(10)/Cu(500)/Pt(50)層を用いた。カッコ内の単位はnmで厚さを示す。
【０１４２】
PrBaMn2O6層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１４３】
それ以外はスパッタ法にて室温（２７℃）で堆積を行い作製した。積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、素子を作製した。
【０１４４】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。まず、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にW1−W2端子間に電圧印加を行い、W1−W2間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。電極―自由磁性層間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約２０％の抵抗差が室温下で検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１４５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１４６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１４７】
またここでは磁気抵抗素子部にＴＭＲ素子構造をとったが、ＧＭＲ構成した場合には図２３Ａの構成で素子動作が確認された。
【０１４８】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた）を採用しても所望の素子を実現できる。
【０１４９】
（実施例５）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１５０】
サンプル５−１
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.8Sr0.2CoO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−２
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.2Sr0.8RuO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−３
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.8Ca0.2VO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−４
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ Pr0.7Ca0.3MnO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)
サンプル５−５
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4nO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.7Ca0.3CrO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−６
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ Gd0.9Ba0.1FeO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−７
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.9Sr0.1NiO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
（カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１５１】
PLD法を用いて、各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、NiFe,Cu,CoFe,Ru,IrMn各層は、スパッタにて室温の基板温度での作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１５２】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に準じる構造を作成した。ここでLaSrMnO3層は電極として、LaAlO3/SrTiO3/LaAlO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、さらにNi0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１５３】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)/Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１５４】
転移層としてサンプル５−１ではLa0.8Sr0.2CoO3層を、サンプル５−２ではLa0.2Sr0.8RuO3層を、サンプル５−３ではLa0.8Ca0.2VO3層を、サンプル５−４ではPr0.7Ca0.3MnO3層を、サンプル５−５ではLa0.7Ca0.3CrO3層を、サンプル５−６ではGd0.9Ba0.1FeO3層を、サンプル５−７ではLa0.9Sr0.1NiO3層を用いた。
【０１５５】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１５６】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間にいずれのサンプル素子においても少なくとも２０％以上の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１５７】
（実施例６）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１５８】
サンプル６−１
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Gd0.7Ca0.3BaMn2O6(150)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成し、図２２Ａに準じる構成を作製した。
【０１５９】
転移層を構成するGd0.7Ca0.3BaMn2O3層は室温下で常磁性を示している。
【０１６０】
S端子−Ｗ端子間に電圧を印加すると同時に、電極配線を用いてパルス電流（最大10mA、1μｓ）を印加することで、実効的に外部磁界を発生させ、動作を行った。
【０１６１】
パルス電流印加の無い場合と比べて、印加電圧をおよそ２５％低減することができた。このことにより低消費電力動作を行う上で、有効な駆動が実施できた。また印加電圧無しで常磁性を発現することで、磁性層の結合状態を制御でき、自由磁性層部分を孤立させることができる上で、メモリ動作に適していることが示された。
【０１６２】
（実施例７）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１６３】
サンプル６−１
SrTiO3(100)基板/ SrRuO3(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ Gd0.7Ca0.3BaMn2O6(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、図２０Ａ−Ｉに準じる素子構造を作成した。
【０１６４】
PLD法を用いて、各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度で作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１６５】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施した。ここでSrRuO3層は電極として、LaSrMnO層は強磁性層として、GdCaBaMnO層は転移層として、さらにLa0.7Sr0.3MnO3/Ni0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１６６】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１６７】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１６８】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間にいずれのサンプル素子においても少なくとも２０％以上の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１６９】
（実施例８）
実施例３で示したサンプル３−２を基本素子として、図１１に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリを１ブロックとし合計８ブロックとした。
【０１７０】
サンプルの素子断面積は0.2μm×0.3μmで、形状は、図１５Ａとしている。
【０１７１】
また、ワ−ド線及びビット線などは全てＣｕを用いた。
【０１７２】
ワ−ド線とビット線間の電圧印加及びワード線を用いた磁界印加を行うことにより、８つのブロックの、８素子にそれぞれの自由磁性層の磁化反転を情報に応じて同時に書き込みを行い、８ビットずつの信号を記録した。次に、パストランジスタとして作成したCMOSのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１素子ずつONし、センス電流をＰ−Ｆ間すなわちセンス線−ビット線間に流した。このとき、各ブロック内でのビット線、素子、及び電界効果トランジスタ(FET)に発生する電圧と、ダミ−電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれの素子の出力電圧から、同時に８ビットの情報を読みとった。
【０１７３】
この際の自由磁性層の長軸と短軸の比は1.5：1（短軸は0.2μm）とし、形状を図１５Ａ〜Ｅに変えた集積メモリを作製した。これらのメモリの記録に要する消費電力は、図１５のＢ〜Ｅの形状では図１５Ａの形状の約3/5〜1/2程度であった。
【０１７４】
（実施例９）
ＦＥＴトランジスタを配した基体上にて構成された本発明の実施例の素子８１を用いたリコンフィグアブルメモリ素子の構成例を図１６に示す。図１６で示した、磁気抵抗素子部分の抵抗をＲｖと表すとすると、電界効果トランジスタＦＥＴ１（８２）のゲート部にかかる電圧Ｖ０は負荷抵抗Ｒｉ、電界効果トランジスタＦＥＴ２（８３）のＯＮ抵抗をＲｃを用いて、
Ｖ０＝［Ｖｉ×（Ｒｖ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖ＋Ｒｃ）
と表すことができる。
【０１７５】
磁気抵抗素子部は、磁性層の磁化方向の平行・反平行に応じて、その抵抗がＲｖｐ、Ｒｖａｐと異なることから、磁気抵抗素子部の抵抗が変化することでＶ０の大きさに違いが表れる。ここで、Ｒｖｐ＜Ｒｖａｐとする。このことから、前式は、
Ｖ０ｐ＝［Ｖｉ×（Ｒｖｐ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖｐ＋Ｒｃ）
Ｖ０ａｐ＝［Ｖｉ×（Ｒｖａｐ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖａｐ＋Ｒｃ）
と書き直され、Ｖ０ｐ＜Ｖ０ａｐの関係が得られる。
【０１７６】
電界効果トランジスタＦＥＴ１（８２）のゲート部の閾値電圧ＶをＶ０ｐ＜Ｖ＜Ｖ０ａｐなる範囲に設定することで、磁気抵抗素子部のメモリに応じて電界効果トランジスタＦＥＴ１の動作を制御することができる。
【０１７７】
これは、例えば、負荷回路３１として論理回路を用いた場合には、不揮発プログラム素子、また負荷回路を表示回路装置とすれば、静止画像などの不揮発保存などに使用でき、これら複数の回路を集積したシステムＬＳＩとして用いることができる。なお、図１６中で、ＦＥＴ１（８２）やＦＥＴ２（８３）はウェエハ上に作成できるもので、３２で示したのは負荷回路の負荷電圧である。
【０１７８】
以上説明したように、本発明によれば、少なくとも１つの転移層と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性層があり、自由磁性層の少なくとも１つと転移層が磁気的に結合され、転移層が、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性発現の磁性相転移を行うことで、自由磁性層の磁化方向を変化させ、その自由磁性層の磁化情報を記録し読み出す磁気メモリや、磁気抵抗効果部の抵抗変化を利用した様々な磁気デバイスとして利用することができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図２】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図３】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図４】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図５】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図６】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の斜視図である。
【図７】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施例におけるメモリの出力検出動作の説明図である。
【図１１】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１２】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１３】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１４】Ａ−Ｂは本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１５】Ａ−Ｅは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の自由磁性層の面内形状図である。
【図１６】本発明の一実施例におけるリコンフィギュアラブルメモリデバイスの磁性スイッチング素子を含む概略構成図である。
【図１７】Ａ−Ｂは本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む動作説明図である。
【図１８】Ａ−Ｂは本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む動作説明図である。
【図１９】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図２０】Ａ−Ｉは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の作製工程概略図である。
【図２１】Ａ−Ｆは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の作製工程概略図である。
【図２２】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図２３】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面である。
【図２４】本発明の一実施例における電圧制御の磁気メモリ素子構成図である。
【符号の説明】
【０１８０】
１  転移体
２，１１  電極
３  自由磁性体
４，１３  反強磁性層
５，１１  強磁性層
６，１４  絶縁層
７  基層
８  非磁性層
９  強磁性層（固定磁性層）
１０，１５，１５'  多層膜
６１  磁性スイッチング素子
６２  磁気抵抗素子部
【図１】
2005129908.tif 000003
【図２】
2005129908.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月28日(2005.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含む磁性スイッチング素子であって、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むぺロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことにより、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させることを特徴とする磁性スイッチング素子。
【請求項２】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記転移体と前記磁化安定体が磁気的に結合され、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つである請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項３】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記自由磁性体と前記磁性体との間に前記転移体が磁気的に結合して配置され、
かつ前記磁性体と前記磁化安定体が磁気的に結合されており、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つである請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項４】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの磁性体と、
少なくとも１つの非磁性体を含み、
前記自由磁性体と前記転移体が磁気的に結合され、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項５】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも１つの非磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体とを含み、
かつ前記転移体と前記磁化安定体が磁気的に結合され、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項６】
前記磁性スイッチング素子は、さらに少なくとも２つの磁性体と、
少なくとも１つの非磁性体と、
少なくとも１つの磁化安定体を含み、
前記自由磁性体と前記磁性体との間に前記転移体が磁気的に結合して配置され、
かつ前記磁性体の一方と前記磁化安定体が磁気的に結合されており、
前記磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、
且つ前記非磁性体を介して接続された前記自由磁性体と前記磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する請求項1に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項７】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起がない状態で、常磁性又は非磁性である請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項８】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも常磁性−強磁性転移を行い、且つ前記常磁性−強磁性転移時に、外部磁場をアシストすることで、前記転移体の強磁性状態での磁化方向を変化させる請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項９】
前記転移体は、さらに少なくとも絶縁体を介して電極と対向しており、少なくとも前記転移体と電極間に電圧を印加することにより、前記転移体が磁気的転移を起す請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１０】
前記転移体は、RE1-xAExMEO3（但し、ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素、ＡＥはアルカリ土類金属、Ｍは遷移金属元素、ｘは０＜ｘ≦１）である請求項１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１１】
前記磁性体、自由磁性体及び磁化安定体から選ばれる少なくとも一つは、強相関電子材料である請求項３に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１２】
前記強相関電子材料は、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族及び２Ｂ族から選ばれる少なくとも一つの元素を含むペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質である請求項１１に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１３】
前記強相関電子材料は、ＲＥ−ＭＥ−Ｏ（ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、ＭＥは遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）である請求項１２に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１４】
前記強相関電子材料は、ＲＥ−ＡＥ−ＭＥ−Ｏ（ＲＥはＹを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、ＡＥはアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも１種、ＭＥは遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）である請求項１２に記載の磁性スイッチング素子。
【請求項１５】
電圧スイッチと、前記電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、前記転移体により磁化方向を変化させる自由磁性体と、前記自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えたメモリであり、
前記電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子を含み、
前記半導体スイッチ素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含み、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むぺロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子を含むランダムアクセス型メモリ。
【請求項１６】
前記転移体は、RE1-xAExMEO3（但し、ＲＥは、Ｙを含む希土類金属元素、ＡＥはアルカリ土類金属、Ｍは遷移金属元素、ｘは０＜ｘ≦１）である請求項１５に記載のランダムアクセス型メモリ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、回転速度検出用の角速度磁気センサ−、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱や化学反応による磁気抵抗効果の変化を利用した熱センサ−や化学反応センサ−に代表される磁気抵抗センサ−や、磁気ランダム・アクセス・メモリ、リコンフィギュアブルメモリなどに代表する磁気固体メモリ、又は磁気による電流スイッチ（磁気スイッチ）素子、さらには電圧による磁化反転を行う電圧磁化スイッチ素子等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性を用いたメモリは、磁性体の有するスピンの情報をメモリとして蓄える故に、不揮発なメモリを実現でき、これからの省電力・高速情報端末の実現に優れたデバイスの一つであると考えられている。これまでに、非磁性膜を介して交換結合した磁性膜より成る人工格子膜が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示すことが発見され（非特許文献１）、ＧＭＲ膜を用いたＭＲＡＭの提案もなされた（非特許文献２）。前記のＧＭＲ膜の非磁性層はCu等の導体膜であるが、非磁性層にAl2O3等の絶縁膜を用いたトンネル型ＧＭＲ膜（ＴＭＲ）の研究も盛んとなり、このＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭも提案されている。ＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭはＧＭＲ膜のものよりも大きな出力と高密度メモリの実現が期待されている。それに伴い、ＤＲＡＭ等の高密度メモリの代替の可能性も検討され始めており、将来の超高密度メモリを目指した、数ナノから数十ナノメートルサイズでのアーキテクチャの確立が待たれている。数ナノから数十ナノメートルサイズのように、伝導に量子的な影響が強く表れるようなサイズ領域になると、従来とは一線を画する素子アーキテクチャが必要とされる。磁性を用いたメモリは、量子であるスピンの情報をメモリとして蓄えているため、スピン情報を直接伝送する、又は、伝送スピンを直接制御するといった、新しい素子及び回路として期待されている。
【０００３】
また、本来、磁性体内の磁化状態は、交換エネルギ−、結晶磁気異方性エネルギ−、静磁エネルギ−、外部磁場によるゼ−マンエネルギ−の和によって決定されることが知られている。このうち、磁化反転を誘起するために制御可能な物理量は、静磁エネルギ−とゼ−マンエネルギ−であり、磁気デバイスの磁化状態を電気的エネルギ−により制御する場合、従来、電流が流れる際に発生する磁界を利用することで行われてきた（特許文献１）。
【非特許文献１】M. N. Baibich et.al., Phys. Rev. Lett. 61 (1988) p2472
【非特許文献２】K. T. M. Ranmuthu et.al., IEEE Trans. on Magn. 29 (1993) p2593
【特許文献１】特開２００３−９２４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、例えば、線電流による磁場発生のエネルギ−変換効率は、１％程度しかない。さらに、線電流の場合、磁界強度は距離に反比例する関係にある。多くの場合、線電流を流す導線と、ここから発生する磁場を利用する磁気デバイス間には、絶縁体をもうける必要があるために、この変換効率は１％よりさらに低下する。これらのことが、電気的エネルギ−による磁化状態の制御を行う必要がある磁気デバイスの工業的普及を妨げてきた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題に対して、磁性体内の磁化状態を高いエネルギ−変換効率で反転する方法と、その好ましいデバイス構成例を提供することで、外部磁場による磁化状態を変化させる磁気デバイス全般のエネルギ−消費量を大幅に削減する磁性スイッチング素子及びそれを用いたメモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の磁性スイッチング素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含む磁性スイッチング素子であって、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むぺロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことにより、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させることを特徴とする。
【０００７】
本発明のランダムアクセス型メモリは、電圧スイッチと、前記電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、前記転移体により磁化方向を変化させる自由磁性体と、前記自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えたメモリであり、
前記電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子を含み、
前記半導体スイッチ素子は、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体を含み、
前記転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むぺロブスカイト化合物であり、
前記転移体の上に前記電極及び前記自由磁性体を並列に非接触で配置し、
前記自由磁性体の少なくとも１つと前記転移体は磁気的に結合され、
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、前記自由磁性体の少なくとも一つの磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも１つの転移体（転移層）と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体（自由磁性層）があり、自由磁性層の少なくとも１つと転移層が磁気的に結合され、転移層が、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性発現の磁性相転移を行うことで、自由磁性層の磁化方向を変化させ、その自由磁性層の磁化情報を記録し読み出す磁気メモリや、磁気抵抗効果部の抵抗変化を利用した様々な磁気デバイスとして利用することができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、転移体は少なくとも希土類元素とアルカリ土類金属を含むぺロブスカイト化合物であり、前記転移体の上に電極及び自由磁性体を並列に非接触で配置するところに構成上の特徴がある。希土類元素としては、例えばＳｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等を挙げることができる。アルカリ土類金属としては、例えばＣａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａ等を挙げることができる。ぺロブスカイト化合物としては、例えばNd0.5Sr0.5MnO3，La0.8Sr0.2CoO3，La0.2Sr0.8RuO3，La0.8Ca0.2VO3，Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.7Ca0.3CrO3，Gd0.9Ba0.1FeO3，La0.9Sr0.1NiO3等を挙げることができる。前記において、転移体の上に電極及び自由磁性体を並列に非接触で配置するとは、電極と自由磁性体とを非接触状態で配置することを意味する。すなわち、電極と自由磁性体とは離間した状態で配置される。
【００１０】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体の少なくとも１つと転移体が磁気的に結合され、かつ転移体と磁化安定体が磁気的に結合され、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１１】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体と磁性体との間に転移体が磁気的に結合して配置され、かつ磁性体と磁化安定体が磁気的に結合されており、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の磁化方向を変化させる磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１２】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体があり、自由磁性体と転移体が磁気的に結合され、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１３】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも１つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体の少なくとも１つと転移体が磁気的に結合され、かつ転移体と磁化安定体が磁気的に結合され、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１４】
また、少なくとも１つの転移体と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性体と、少なくとも２つの磁性体と、少なくとも１つの非磁性体と、少なくとも１つの磁化安定体とがあり、自由磁性体と磁性体との間に転移体が磁気的に結合して配置され、かつ磁性体の一方と磁化安定体が磁気的に結合されており、磁化安定体が、反強磁性体又は積層フェリ磁性体又は高保持力磁性体から選ばれた少なくとも１つからなり、転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性−反強磁性転移を行うことで、自由磁性体の少なくとも１つの磁化方向を変化させ、且つ非磁性体を介して接続された自由磁性体と磁性体との間において、磁化相対角の変化により抵抗が変化する磁性スイッチング素子としてもよい。
【００１５】
前記転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起がない状態で、常磁性又は非磁性であることが好ましい。
【００１６】
また転移体は、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも常磁性−強磁性転移を行い、且つ前記常磁性−強磁性転移時に、外部磁場をアシストすることで、前記転移体の強磁性状態での磁化方向を変化させることが好ましい。
【００１７】
また、少なくとも絶縁体を介して対向する転移体と電極があり、少なくとも転移体と電極間に電圧を印加することにより、転移体が磁気的転移を起す磁性スイッチング素子であることが好ましい。
【００１８】
本発明において、少なくとも転移体、磁性体、自由磁性体、磁化安定体の何れかが、強相関電子材料であることが好ましい。
【００１９】
強相関電子材料として、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族から選ばれる元素を少なくとも１つを含んだペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質を挙げることができる。
【００２０】
また強相関電子材料として、RE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２１】
また強相関電子材料として、RE-AE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、AEはアルカリ土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、電圧スイッチにより印加される電圧により、磁気転移する転移体と、転移体と磁気結合するように配したことにより、磁化方向を変化させうる自由磁性体と、その自由磁性体の磁化方向を読みとる磁気抵抗効果部をそれぞれ複数個備えた磁気メモリを構成できる。このとき、電圧スイッチが、半導体基板上に集積された半導体スイッチ素子であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリを構成できる。
【００２３】
さらに、本発明の磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構成を用いたリコンフィギュアブルメモリをも提供することができる。
【００２４】
転移層として用いる材料（すなわち、転移体）として、強相関電子系材料を主成分とするのが好ましく、母材としては、３Ａ族、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族から選ばれる元素を少なくとも１つを含んだペロブスカイト型物質又はペロブスカイト型類縁物質であることが好ましい。ここでの物質には、Ruddlesden-Popper相やAuriviellius相も含まれる。
【００２５】
また特に強相関電子材料として、RE-ME-O（REは、Yを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。たとえばMEとして、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。またさらにAE元素を一部含んだ、RE-AE-ME-O（REはYを含む希土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、AEはアルカリ土類金属元素から選ばれた少なくとも１種、MEは、遷移金属元素から選ばれた少なくとも１種）であることが好ましい。
【００２６】
転移層を構成するより好ましい材料（すなわち、転移体としてより好ましい材料）としては、RE1-xAExMEO3なる一般式で表される結晶材料を基本とする材料である。このとき、ｘは０＜ｘ≦１を満足する範囲が好ましい。この際、ｘが０や１の物質の多くは半導層又は絶縁層であり、キャリアの注入によって磁性相転移誘起が困難である。ところが、ｘがＭＥ元素の種類によってきまる特定の値及びその近傍には、スピン相関によって電子系が支配される強相関効果が顕著に表れるようになり、系の相変化が発現する。
【００２７】
本発明は、強相関性による磁性相変化を用いたスイッチング素子であるが、転移層の物質によって、電界印加の無い状態で反強磁性を、電界印加の下で強磁性を示すだけでなく、電界印加無しで強磁性、電界印加の下で反強磁性を示すものも得られる。または電界印加無しで常磁性、電界印加の下で強磁性を示すものも得られる。これらを使い分ければ、転移層と磁気的に結合した自由磁性層の磁化方向を動かしたり、保持力を強めたり、弱めたりと制御が可能となる。
【００２８】
また絶縁層に用いられる材料としては、絶縁層又は半導層であれば何れでも良いが、特にMg, Ti, Zr, Hf, V, Nb,Ta,Crを含む IIa〜VIa、La , Ceを含む ランタノイド、Zn, B, Al, Ga, Siを含む IIb〜IVbから選ばれた元素と、Ｆ、O、Ｃ、Ｎ、Ｂから選ばれた少なくとも元素との化合物、又はポリイミドやフタロシアニン系有機分子材料であることが好ましい。
【００２９】
また、電極の好ましい材料としては、Cu,Al,Ag,Au,Pt,TiNを初め、抵抗率が100μΩ・cm以下の材料であれば何れでも良い。
【００３０】
また磁化安定層としては、高保持力磁性層、積層フェリ磁性層、反強磁性層又は積層フェリ磁性層と反強磁性層の多層膜であるのが好ましく、高保持力磁性層としては、CoPt,FePt,CoCrPt,CoTaPt,FeTaPt,FeCrPtなどの保持力が100Oe以上である材料が好ましく、また反強磁性層としては、PtMn,PtPdMn,FeMn,IrMn、NiMn等が好ましく、また積層フェリ磁性層としては、磁性層と非磁性層の多層構造を持ち、ここで用いられる磁性層として、Co又はCoを含んだFeCo,CoFeNi,CoNi,CoZrTa,CoZrB,CoZrNb合金等を用い、またこの際の非磁性層としては、Cu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Re, Os又はこれらの金属の合金、酸化物を用いて構成することが好ましい。
【００３１】
さらに、ZnO:Mn,ZnS:X,ZnSe:X,ZnTe:X（ただしX=Mn, Fe, Co, Niをあらわす）、MnAs、JTiO3:Mn （ただし、J=Mg, Ca, Sr, Baをあらわす）、XF2、ZnF2:X（ただしX=Mn, Fe,Co, Niをあらわす）、CdTe:Mn、CdSe:Xなど、I-V族、I-VI族、II-IV族、II-V族、II-VI族、III-V族、III-VI族、IV-IV族、I-III-VI族、I-V-VI族、II-III-VI族、II-IV-V族などから選ばれ、且つIVa〜VIII、Ｉbから選ばれた少なくとも１種の元素を前記化合物半導層中に含んで誘起される磁性半導層であるのが好ましい。
【００３２】
また、自由磁性層を構成する磁性層としては、Fe, Co, Ni, FeCo合金, NiFe合金、CoNi合金、NiFeCo合金、又は、FeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN, FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN 等の窒化物、酸化物、炭化物、硼化物、フッ化物磁性層に代表されるTMA (Tは、Fe, Co, Niから選ばれた少なくとも１種, Mは、Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Al, Si, Mg, Ge, Gaから選ばれた少なくとも１種、またＡは、N, B, O, F, Cから選ばれた少なくとも１種)、又は(Co, Fe)M （Mは Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cu, Bから選ばれた少なくとも１種）、又はFeCr、FeSiAl, FeSi, FeAl, FeCoSi, FeCoAl,FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)(Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt等に代表されるTL (TはFe, Co, Niから選ばれた少なくとも１種、ＬはCu, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Os, Ru, Si, Ge, Al, Ga, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luから選ばれた少なくとも１種 )等の強磁性層、又はFe3O4若しくはXMnSb (Xは、Ni, Cu, Ptから選ばれた少なくとも一つ), LaSrMnO, LaCaSrMnO, CrO2に代表されるハ−フメタル材料、又はＱDA(ＱはSc, Y, ランタノイド, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Znから選ばれた少なくとも１種、AはC, N, O, F, Sから選ばれた少なくとも１種、Dは、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも１種)、又はGaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN等のRDA （Rは、B, Al, Ga, Inから選ばれた１種、Dは、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni から選ばれた1種、AはAs, C, N, O,P, Sから選ばれた1種）等に代表される磁性半導層、又は、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物が好ましい。
【００３３】
次に、図面を用いて説明する。図１Ａ−Ｂは、転移層１の上に電極２及び自由磁性層３を非接触で配置した構成を示している。ここで自由磁性層３と転移層１は磁気的に結合しており、転移層１の磁性相変化によって、結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層１の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００３４】
図２Ａは、転移層１を介して面内に電極２／反強磁性層４の多層体と自由磁性層３を非接触で配置した構成を示し、図２Ｂは転移層１を介して面内に電極２／反強磁性層４／強磁性層５の多層体と自由磁性層３を非接触で配置した構成を示している。図２Ａでは、転移層１は自由磁性層３及び反強磁性層４と互いに磁気的に結合されている。図２Ｂでは、転移層１は自由磁性層３及び強磁性層５と互いに磁気的に結合されている。いずれの構成においても、転移層１の磁性相変化によって、結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層１の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００３５】
図３Ａのように、キャリアの注入を効率よく行うために、電極２と転移層１との間に絶縁層６を配するのが好ましい。この際、転移層１の上には面内に自由磁性層３と、電極２／絶縁層６であったり、電極／絶縁層／磁化安定層であったり、電極２／絶縁層６／反強磁性層（磁化安定層）４／強磁性層５であったりするのがよい。また図３Ｂに示すように転移層１は薄膜層で基層７上に構成するのももちろん好ましい。基層７としては、ペロブスカイト物質が好ましい。
【００３６】
さらに、図４Ａ−Ｂに示すように、図１から図３にて示した構成に加えて、自由磁性層３を含んで、自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９なる磁気抵抗変化がある多層膜１０を形成し、磁性スイッチング素子とする。この多層膜１０は磁気抵抗素子部を構成している。すなわち、図２４に示すように電圧制御の磁気メモリ素子を構成することができる。同図において、６１は磁性スイッチング素子、６２は磁気抵抗素子部である。この際、メモリ素子は磁気抵抗素子の非磁性層を介した２つの強磁性層の磁化方向の平行・反平行を実現することによってメモリ動作を行う。
【００３７】
次に、図５Ａに示すように、転移層１の上の面内に配した電極２と１１と、その中間に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９からなる多層体１０を配置し、電極２と１１との間に電圧印加をすることにより、転移層１を変化させ、転移層１上の磁性多層体１０の磁気抵抗を変化させることができる。
【００３８】
図５Ｂに示すように、電極２の下には強磁性層５と反強磁性層４と絶縁層６からなる多層層１５を形成し、電極１１の下には強磁性層１２と反強磁性層１３と絶縁層１４からなる多層層１５’を形成してもよい。
【００３９】
このような面内方向の配置によるスイッチング動作には、転移層の有する磁気相変化が層全層に広がるという特性により実現している。これは転移層として強相関電子系材料を用いるために、特徴的なフィリング制御が引き起こされるためと考えられる。このことから、図１〜図５では典型的な断面構成について示したが、図６Ａ−Ｂのような面内配置をとっても所望のデバイスを実現することができる。図６Ａは図５Ｂの斜視図である。図６Ｂは転移層１の上の中央に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９からなる多層体１０を配置し、その周囲を取り囲むように間を非接触で多層膜１５を形成する。
【００４０】
図７Ａは、別な構成を示している。電極１６、転移層１の順に配した転移層１上に面内配置にて電極２及び自由磁性層３を配置した構成を示している。図１−図６で示した構成に比べ、電極間での電圧印加が積層方向にて可能なため、製造上電極間を小さくでき、低電圧駆動が可能となる。図７Ｂに示すように、転移層１の磁性相変化により結合している自由磁性層３が強磁性を示す転移層の磁化方向に磁化をそろえることになる。
【００４１】
図８に示すように、電極１６の上に転移層１を形成し、その上に自由磁性層３／非磁性層８／強磁性層（固定磁性層）９なる磁気抵抗変化がある多層膜１０を形成し、本発明の磁性スイッチング素子を実現できる。
【００４２】
図９にて示すように、電極１６の上に強磁性層１７と、その上に転移層１として下地層を形成し、転移層１の上に、面内配置にて電極２および自由磁性層３を配置してもよい。この場合には、転移層１の磁性相変化の際、転移層１の磁化方向を磁気結合した強磁性層１７の磁化で制御することができる。特に、このような面内配置の場合、面内の磁区制御にも効果的であって好ましい。
【００４３】
上記本発明の構成は、通常の薄膜プロセスと微細加工プロセスを用いて、実現できる。各磁性層、反強磁性層、層間絶縁層、電極等の形成には、パルスレ−ザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ム又はＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰ又は対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等のＰＶＤ法や、その他ＣＶＤ、メッキ法又はゾルゲル法で作製することができる。
【００４４】
また微細加工としては、半導体プロセスや、ＧＭＲヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＦＩＢ等の物理的又は化学的エッチング法や、微細パタ−ン形成のためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を組み合わせることで達成できる。また電極等の表面平坦化のために、ＣＭＰや、クラスタ−イオンビ−ムエッチングを用いることも効果的である。
【００４５】
またこれまで述べてきた構成の磁性スイッチング素子を使用することで、磁気メモリが作製できる。
【００４６】
図１７Ａ−Ｂは、マトリクス状にメモリ素子が配置された場合の一例を示した。図１７Ａは書き込み時の場合で、端子３８−端子３９の間に電圧を印加し、転移層１の磁性を誘起し、自由磁性層３へ磁化情報を書き込むものとする。端子３８はワード線１（３３）に接続され、端子３９はワード線２（３６）に接続されている。この際、同時にワード線１（３３）あるいはワード線２（３６）に電流を流して磁界を発生させて、磁化回転をアシストさせても好ましい。
【００４７】
また読み込み時には、図１７Ｂにて示すように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２をＯＮすることで、端子４０−端子４１に現れる抵抗を検出する。端子４０はビット線に接続され、端子４１はＦＥＴ４２のドレイン電極側に接続されており、センス線３５はＦＥＴのゲート電極側に接続されている。実際の検出には、図１０に示すような差動検出を行うのが好ましく、端子４０−端子４１に現れる電圧から得られる磁気抵抗素子１０（図１０では磁気抵抗素子１８）の抵抗値と、比較抵抗２３から得られる抵抗値との差を求めることで、その差を検出する。比較抵抗には、磁気抵抗素子の一つを用いるのが好ましい。こうすることで、磁気抵抗で発生した抵抗変化分を効果的に検出することができる。また、配線抵抗を含めた比較抵抗との出力差をとることで、配線抵抗および比較抵抗の基準素子抵抗をキャンセルすることができるため、高Ｓ／Ｎ化が容易に実現できる上で好ましい。図１０は差動検出の際の、一般的な差動増幅の一例を示したものであるが、磁気抵抗素子１８の抵抗から得られる電圧の前値増幅器１９で増幅した電圧Ｖｍｅｍと比較抵抗素子２３の抵抗から得られる電圧の前値増幅器２２で増幅した電圧Ｖｒｅｆとの差を差動増幅器である主増幅器２０を用いて、｜Ｖｍｅｍ−Ｖｒｅｆ｜の電圧を出力２１として得るものである。
【００４８】
なお、図１７ではＦＥＴをメモリ素子の選択素子として用いた例を示したが、ダイオードのような整流素子を用いても同様の動作が可能である。
【００４９】
図１１および図１２は、磁気ランダムアクセスメモリとして構成した場合の構成の様子を示している。メモリ素子としては、図２４における磁性スイッチング素子６１に相当する部分である７３と、磁気抵抗素子部６２に相当する部分に７４とで構成されている。メモリ情報の書き込みには、まず図１１のようにワード線１（２８）とワード線２（２７）を用いて、転移層への電圧印加を行い、磁性スイッチング素子部７３のスイッチングを利用して、磁気抵抗素子部７４の磁性層の磁化変化としてのメモリ書き込みを行う。それぞれの素子の選択には、周辺に配したパストランジスタ７１のスイッチングにより行う。またメモリ内容の読み出しには、図１２にて示すように、ビット線２６とセンス線７２との間の抵抗（定電流印加では、その際の電圧値Ｖ）を出力して検出する。検出の際には、図１３に示すように、素子抵抗分（図１３では磁気抵抗素子７４）の電圧Ｖと比較抵抗分（図１３では比較抵抗素子７５）Ｖｒｅｆとの差を、図１０の原理を用いて、差動検出するのが良い。比較抵抗素子は、場合に応じて図１３に示すように、素子アレイの適切なブロック毎に、比較抵抗素子行（図１３では７６）あるいは比較抵抗素子列のように配置することが、選択するパストランジスタが少なくて良い。
【実施例】
【００５０】
更に具体的な実施例を以下に示す。
【００５１】
（実施例１）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００５２】
サンプル１−１
下から順に、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(100)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Cu(3)/ Co0.9Fe0.1(20) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【００５３】
NdBa2Cu3O7層やNd0.5Sr0.5MnO3層はPLDにて約６００-８００℃（典型的には７５０℃）の基板温度にて作成され、NiFe,Cu,CoFe各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。
【００５４】
ＰＬＤとスパッタの工程には、in-situ搬送により高真空を保って試料移動を行った。
【００５５】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。
【００５６】
作成の工程は図２０Ａ−Ｉにて示すように行った。まず図２０Ａは作成した多層膜の様子を示したもので、基層４１、電極４２、転移層４３、自由磁性層４４、非磁性層４５、固定磁性層４６がこの順番に積層されている。固定磁性層４６には上部に反強磁性層およびキャップ電極層を含んでも良い。ここで、自由磁性層４４、非磁性層４５、固定磁性層４６は磁気抵抗素子部５０を構成する部分となる。まず、図２０Ｂにて、下部電極のレイアウトを決めるためのパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて、パターンレジストと同じ形状に電極４２〜固定磁性層４６までのパターンを形成する。続いて、図２０Ｃにて示すように、転移層のレイアウトを決めるために、先と同様にパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて転移層４３〜固定磁性層４６までのパターンを形成する。次に、図２０Ｄにて示すように、自由磁性層のレイアウトを決めるために、先と同様にパターンレジスト４８をフォトリソグラフィックな手法により形成し、イオンミリングなどの手法を用いて自由磁性層４４〜固定磁性層４６までのパターンを、図２０Ｅでは、同様に非磁性層４５〜固定磁性層４６までのパターン化を行う。イオンミリングなどの手法を用いて作成したパターン化によって、図２０Ｆに示すように、非磁性層４５〜固定磁性層４６からなるメサ構造が形成できる。メサ構造には、図では示していないが、自由磁性層を含んでも良い。メサ構造を形成する際に残っているレジストを残したまま、図２０Ｇのように、この上に層間絶縁層４９を堆積し、リフトオフ工程を経て、図２０Ｈに示すように、電極４７を堆積し、電極４７を所望のパターンに先と同様の手法を用いて加工することで、図２０Ｉに示す構造を有する評価素子を得る。図２０Ｉにて示す構造は、図１９に示す構造と同様であり、図１９の端子（Ｂ）５３をビット線、端子（Ｓ）５２をセンス線、端子（Ｗ１）５６をワード線１、端子（Ｗ２）７７をワード線２として接続して評価を行った。
【００５７】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性やプロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。
【００５８】
ここでNdBa2Cu3O7層は伝導性酸化物で電極としてNd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、NiFe層は自由磁性層、Cu層は非磁性層、CoFe層は固定磁性層として設けている。ここで、Ni0.81Fe0.19/Cu/Co0.9Fe0.1の磁性多層膜はCPP型GMRの構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【００５９】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【００６０】
まず、図１９にて示した、あらかじめＢ端子５３−Ｓ端子５２間において抵抗を測定し、次にＳ端子５２−Ｗ端子５６間に電圧印加を行い、Ｓ端子５２−Ｗ端子５６間を切り離したあと、再びＢ端子５３−Ｓ端子５２間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。電極４２―自由磁性層４４間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約１０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。なお測定温度範囲は４Ｋから３７０Ｋにて行い、約２００Ｋ以下での現象が確認された。
【００６１】
前記Ｂ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【００６２】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【００６３】
このような本発明の所望の特性が得られたことには、電極及び転移層との結晶学的な整合性が良いことが重要で、両者ともにペロブスカイト型（類縁物質も含む）酸化物を用いたことにより両者の好ましい相性によって実現されたと考えられる。
【００６４】
図１９で示した構成において、CoFe磁性層の上に、反強磁性を有するNiO,MnAs,PtMnなどを堆積した。本構成にて、Ｂ−Ｓ端子間の磁気抵抗特性はスピンバルブ型に特徴的な磁気抵抗特性を示しており、CoFe磁性層は、反強磁性層と磁気結合し、磁化方向の固定が施されたことが予想される。すなわち本発明における本構成により、転移層に接した自由磁性層内の磁化情報を、電圧印加によって制御可能な素子として実現できた。
【００６５】
またサンプル１−１以外にも、サンプル１−２として、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Cu(3)/ Co0.9Fe0.1(5)/ Ru(0.9)/ Co0.9Fe0.1(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。ここでCo0.9Fe0.1(5)/ Ru(0.9)/ Co0.9Fe0.1(5)/ IrMn(15)はシンセティックフェリ型の反強磁性結合構造による固定磁性層を形成している。
【００６６】
サンプル１−２においても、サンプル１−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００６７】
さらに、サンプル１−３として、MgO(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。
【００６８】
ここでNi0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)は自由磁性層として、Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)は固定磁性層を形成している。Al2O3層は絶縁性非磁性層で、Ni0.81Fe0.19/ Co0.5Fe0.5/ Al2O3/ Co0.5Fe0.5/ Ru/ Co0.5Fe0.5/ IrMn にてトンネル型磁気抵抗変化部を構成している。
【００６９】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製と、Al2O3をそのままスパッタして作製を行った。後酸化工程においては、真空槽内での自然酸化によるもの、真空槽内での加温下での自然酸化によるもの、又は真空槽内でのプラズマ中においての酸化によって行ったが、いずれの工程に対してもトンネルバリアとして機能する良好な非磁性絶縁膜が得られた。なお、後酸化工程を行う際に、Al製膜、自然酸化、Al製膜、自然酸化、と多段階に行うことで、酸化膜の均一性が向上するだけでなく、酸化時間の短縮ができることがわかった。
【００７０】
サンプル１−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても転移層への電圧印加前後で抵抗変化３０％以上を示し、磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００７１】
本実施例では、電極としてNdBa2Cu3O7なる酸化物伝導層を用いたが、これ以外にもREBa2Cu3O7（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた）でも転移層、及び基板との相性が好ましく、実現可能だった。
【００７２】
また本実施例では、基板としてMgOを用いたがLaAlO3やNdGaO3,SrTiO3,LaSrAlTaO4など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【００７３】
ただし、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００７４】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた。）を採用しても所望の素子を実現できる。
【００７５】
（実施例２）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００７６】
左から順に、サンプル２−１として、SrTiO3(100)基板/ NdBa2Cu3O7(300)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)の積層体を作成した。
【００７７】
NdBaCuO層やNdSrMnOの各層はPLDにて約６００-８００℃の基板温度にて作成され、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。
【００７８】
ＰＬＤとスパッタの工程には、in-situ搬送により高真空を保って試料移動を行った。
【００７９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０に準じる工程により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。ここでNdBa2Cu3O7層は伝導性酸化物で電極として、SrTiO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【００８０】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【００８１】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【００８２】
まず、図１９にて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にＳ−Ｗ端子間に電圧印加を行い、Ｓ−Ｗ間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。S-W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【００８３】
ここで、絶縁層を介して電極から転移層への電荷注入を施したことで、転移層の磁気相転移が引き起こされたものと考えられる。磁気抵抗変化が十分な利得で得られたことで、絶縁層を介した本実施例の構成が好ましいことがわかった。
【００８４】
前記Ｂ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【００８５】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【００８６】
またサンプル２−１以外にも、サンプル２−２として、NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(200)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Sm00.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ PtMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/絶縁層/反強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはPtMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。ここでCo0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/PtMn(15)はシンセティックフェリ型の反強磁性結合構造による固定磁性層を形成している。
【００８７】
サンプル２−２においても、サンプル２−１の場合と同様の評価を行い、本構成においても磁性スイッチング素子動作が確認された。
【００８８】
さらに、サンプル２−３として、LaSrAlTaO4(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(200)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Sm0.5Sr0.5MnO3(50)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)を基板/電極/反強磁性層/強磁性層/転移層/自由磁性層/非磁性層/固定磁性層として作製した。サンプルはIrMnの磁化方向付けのために5kOe、280℃にて磁場中アニールを施してある。
【００８９】
ここでNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)は自由磁性層として、Co0.5Fe0.5(5)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(5)/ IrMn(15)は固定磁性層を形成している。Al2O3層は絶縁性非磁性層で、Ni0.81Fe0.19/ Co0.5Fe0.5/ Al2O3/ Co0.5Fe0.5/ Ru/ Co0.5Fe0.5/ IrMnにてトンネル型磁気抵抗変化部を構成している。
【００９０】
サンプル２−２及びサンプル２−３では、電極としてLa0.7Sr0.3MnO3なる酸化物伝導層を用いたが、これ以外にも(Sr1-xCax)1-yLayRuO3（ただしｘは0≦ｘ≦1、ｙは0≦y≦0.9）やSr1-xLaxTi1-yMEyO3（ただしｘは0≦ｘ≦0.9、ｙは0≦y≦1でME=V又はNb,Ta,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Re,Ru）を用いた場合でも転移層、及び基板との相性が好ましく、実現可能だった。
【００９１】
また本実施例では、基板としてLaSrAlTaO4(100)基板を用いたがLaAlO3やNdGaO3, SrTiO3, (La,Sr)2(Al,Ta)O3など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【００９２】
ただし、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９３】
またSi基板を用いて、Si基板/TiN（下地層）/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al3O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）にて構成しても本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９４】
さらに、MgO(100)を基板として用い、MgO基板/Pt（電極）/(Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn）（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【００９５】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた。）を採用しても所望の素子を実現できる。
【００９６】
（実施例３）
マグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【００９７】
左から順に、サンプル３−１として、MgO(100)基板/ Pt(500)/ SrTiO3(50)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(50)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(50)/ Nd0.5Sr0.5MnO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)として、積層体を作成した。
【００９８】
SrTiO3層やNdSrMnO3層やLaSrMnO3層の各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、Pt、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。ただし、下部の電極であるPtは後工程の高温での製膜により加温されている。製膜はin-situで行った。
【００９９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に示すような構造を作成した。ここでPt層は電極として、SrTiO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層として、さらにLa0.7Sr0.3MnO3(1.2)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１００】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)の磁性多層膜は、TMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１０１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１０２】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【０１０３】
まず、図１９にて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にＳ−Ｗ端子間に電圧印加を行い、Ｓ−Ｗ間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲で印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１０４】
ここで、絶縁層を介して電極から転移層への電荷注入を施したことで、転移層の磁気相転移が引き起こされたものと考えられる。磁気抵抗変化が十分な利得で得られたことで、絶縁層を介した本実施例の構成が好ましいことがわかった。
【０１０５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１０６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１０７】
また次に、サンプル３−２として、NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(100)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ PrBaMn2O6(50)/ La0.7Ba0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15) (カッコ内は厚さを示し、単位はnmである。)の積層体を作成した。
【０１０８】
SrTiO3層やLaAlO3層やNdSrMnO層やLaSrMnO層やPrBaMnO層やLaBaMnO層の各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、Pt、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度での作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１０９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に準じる構造を作成した。ここでLaSrMnO層は電極として、LaAlO3/SrTiO3/LaAlO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.6Sr0.4MnO3層は強磁性層として、PrBaMnO層は転移層として、さらにLa0.7Ba0.3MnO3/Ni0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１１０】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１１１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１１２】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約３０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１１３】
（実施例４）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１１４】
左から順に、サンプル４−１として、NdGaO3(100)基板を用いて、NdGaO3基板/ Nd0.5Sr0.5MnO3(100)/ La0.7Sr0.3MnO3 (1.5) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１１５】
Nd0.5Sr0.5MnO3層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１１６】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図２１Ａ−Ｆに示すような工程にて素子を作製した。図２１Ａにおいて、基層４１とその上の電極４２とその上の転移層４３を形成した。
【０１１７】
その後、図２１Ｂにて転移層４３の加工を、図２１Ｃにてリフトオフ工程を用いた磁性多層膜部５０の形成を行った。用いた磁性多層膜はNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)で構成し、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度で作成を行った。この際、堆積前に転移層の付着物除去を目的として逆スパッタ処理を施した。それに伴い、La0.7Sr0.3MnO3(1.5)層はレジストカバーされてない部分はエッチングされている。
【０１１８】
図２１Ｄにて電極部５１の形成を、図２１Ｅ−図２１Ｆにて自由磁性層４４／非磁性層４５／固定磁性層４６からなる磁性多層膜部５０を加工し、端子５２〜５５を取り付け、磁気抵抗変化部を形成した。
【０１１９】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性やプロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。この際、堆積前にLa0.7Sr0.3MnO3(10)層への表面エッチングを目的として逆スパッタ処理を施した。
【０１２０】
ここで、Nd0.5Sr0.5MnO3層は転移層を、La0.7Sr0.3MnO3(10-逆スパッタ)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１２１】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで多段階の酸化工程を経て作製した。
【０１２２】
作製した素子は典型的には図２２Ｂの構成であるが、自由磁性層の配置に応じて図２２Ａの構成のものも作製して評価を行った。
【０１２３】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。
【０１２４】
まず、図２２Ｂにて示した、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にW1−W2端子間に電圧印加を行い、W1−W2間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲で印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約１０％の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。なお測定温度範囲は４Ｋから３７０Ｋにて行い、約２００Ｋ以下での現象が確認された。
【０１２５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１２６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１２７】
またサンプル４−１以外にも、サンプル４−２として、NdGaO3基板/ PrBaMn2O6(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.5) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１２８】
PrBaMn2O6層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１２９】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、図２１に示すような工程にて素子を作製した。
【０１３０】
図２１Ｂにて転移層の加工を、図２１Ｃにてリフトオフ工程を用いた磁性多層膜部の形成を行った。用いた磁性多層膜はNi0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)で構成し、スパッタにて室温の基板温度での作成を行った。この際、堆積前に転移層の付着物除去を目的として逆スパッタ処理を施した。それに伴い、La0.7Sr0.3MnO3(1.5)層はレジストカバーされてない部分はエッチングされている。
【０１３１】
図２１Ｄにて電極部の形成を、図２１Ｅ−図２１Ｆにて磁性多層膜部を別途加工して磁気抵抗変化部を形成した。
【０１３２】
配線用電極としては、Au,Ag,Pt,Cu,Alなどを用いた。接触性や対プロセス性を考慮し、本実施例ではTa(5)/Cu(500)/Pt(10)などの多層構造の電極を用いた。この際、堆積前にLa0.7Sr0.3MnO3(10)層への表面エッチングを目的として逆スパッタ処理を施した。
【０１３３】
ここで、PrBaMn2O6層はAサイト秩序型ペロブスカイト構造を有している転移層であり、La0.7Sr0.3MnO3(1.5-逆スパッタ)/Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)層で固定磁性層を設けている。
【０１３４】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで多段階の酸化工程を経て作製した。
【０１３５】
W1―W2端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約４０％の抵抗差が室温下で検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１３６】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１３７】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１３８】
ここで転移層としてPrBaMn2O6を用いたが、RE1AE1ME2O6にて表される（ただしREは希土類元素で例えばLa,Sm,Gdを、AEはアルカリ土類金属元素で例えばBa,ME遷移金属元素で例えばMn,Coを示す）物質を用いた場合においても同様の結果が得られた。
【０１３９】
また本実施例では、基板としてNdGaO3を用いたがLaAlO3やNdGaO3,SrTiO3,LaSrAlTaO4など、その他の酸化物基板を用いても、実施が可能であった。このような基板を用いると、転移層及び電極、反強磁性層、強磁性層を構成する強相関電子材料を単結晶的に作製することができ好ましい。
【０１４０】
また、Si/SiO2（熱酸化）を基板として用い、Si/SiO2/Pt（電極）/ (Nd,Sr)MnO3（転移層）/ NiFe（自由磁性層）/ Al2O3（非磁性層）/(CoFe/IrMn)（固定磁性層）などの構成も、転移層が多結晶層でありながら実現でき、図２２Ｂに示す本発明の磁性スイッチング動作は実現できる。
【０１４１】
また次に、サンプル４−４として図２３Ｂの構成を実現した。基板７はNdGaO3(100)基板を、転移層１としてPrBaMn2O6(100)層を、強磁性層５，１２としてLa0.7Sr0.3MnO3(5)層を、反強磁性層４，１３としてNd0.6Sr0.4MnO3(50)層を、絶縁層６，１４としてSrTiO3(50)層を、電極２，１１としてTa(10)/Cu(500)/Pt(50)層を、自由磁性層３としてNi0.81Fe0.19(20) /Co0.5Fe0.5(1)層を、非磁性層８としてAl2O3(2)層を、固定磁性層９としてCo0.5Fe0.5(9)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)層を用いた。そのほか配線用引き出し電極５２〜５５として、Ta(10)/Cu(500)/Pt(50)層を用いた。カッコ内の単位はnmで厚さを示す。
【０１４２】
PrBaMn2O6層、La0.7Sr0.3MnO3層はPLDにて約７５０-９００℃の基板温度にて作成した。
【０１４３】
それ以外はスパッタ法にて室温（２７℃）で堆積を行い作製した。積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により加工を施し、素子を作製した。
【０１４４】
本実施例にて構成した磁性スイッチング素子の動作を以下のように確認した。まず、あらかじめＢ−Ｓ端子間において抵抗を測定し、次にW1−W2端子間に電圧印加を行い、W1−W2間を切り離したあと、再びＢ−Ｓ端子間の抵抗を測定することで、本発明のスイッチング素子の動作を評価した。電極―自由磁性層間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖを印加し、Ｂ−Ｓ端子間に約２０％の抵抗差が室温下で検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１４５】
ここでのＢ−Ｓ端子間を用いた磁気抵抗特性は、外部磁界を印加することによっても、もちろん磁気抵抗効果を検出でき、本発明の素子が磁気抵抗変化型のスイッチング素子であることが示された。
【０１４６】
このことにより、外部磁界を用いずに磁化反転可能な磁性のスイッチング素子の基本動作を確認することができた。
【０１４７】
またここでは磁気抵抗素子部にＴＭＲ素子構造をとったが、ＧＭＲ構成した場合には図２３Ａの構成で素子動作が確認された。
【０１４８】
またこれ以外にも、転移層としてペロブスカイト酸化物(RE,Sr,Ca)MnO3（REとしては、Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybを用いた）を採用しても所望の素子を実現できる。
【０１４９】
（実施例５）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１５０】
サンプル５−１
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.8Sr0.2CoO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−２
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.2Sr0.8RuO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−３
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.8Ca0.2VO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−４
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ Pr0.7Ca0.3MnO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/IrMn(15)
サンプル５−５
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4nO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.7Ca0.3CrO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−６
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ Gd0.9Ba0.1FeO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
サンプル５−７
SrTiO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Nd0.6Sr0.4MnO3(30)/ Nd0.4Sr0.6MnO3(25)/ La0.9Sr0.1NiO3(50)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)
（カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成した。
【０１５１】
PLD法を用いて、各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、NiFe,Cu,CoFe,Ru,IrMn各層は、スパッタにて室温の基板温度での作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１５２】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施し、図１９に準じる構造を作成した。ここでLaSrMnO3層は電極として、LaAlO3/SrTiO3/LaAlO3層は絶縁層として、Nd0.6Sr0.4MnO3層は反強磁性層、Nd0.4Sr0.6MnO3層は強磁性層として、さらにNi0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１５３】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/Co0.5Fe0.5(1)/Al2O3(1.2)/ Co0.5Fe0.5(5)/Ru(0.9)/Co0.5Fe0.5(5)/IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１５４】
転移層としてサンプル５−１ではLa0.8Sr0.2CoO3層を、サンプル５−２ではLa0.2Sr0.8RuO3層を、サンプル５−３ではLa0.8Ca0.2VO3層を、サンプル５−４ではPr0.7Ca0.3MnO3層を、サンプル５−５ではLa0.7Ca0.3CrO3層を、サンプル５−６ではGd0.9Ba0.1FeO3層を、サンプル５−７ではLa0.9Sr0.1NiO3層を用いた。
【０１５５】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１５６】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間にいずれのサンプル素子においても少なくとも２０％以上の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１５７】
（実施例６）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１５８】
サンプル６−１
NdGaO3(100)基板/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ LaAlO3(1.5)/ SrTiO3(50)/ LaAlO3(1.5)/ Gd0.7Ca0.3BaMn2O6(150)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、積層体を作成し、図２２Ａに準じる構成を作製した。
【０１５９】
転移層を構成するGd0.7Ca0.3BaMn2O3層は室温下で常磁性を示している。
【０１６０】
S端子−Ｗ端子間に電圧を印加すると同時に、電極配線を用いてパルス電流（最大10mA、1μｓ）を印加することで、実効的に外部磁界を発生させ、動作を行った。
【０１６１】
パルス電流印加の無い場合と比べて、印加電圧をおよそ２５％低減することができた。このことにより低消費電力動作を行う上で、有効な駆動が実施できた。また印加電圧無しで常磁性を発現することで、磁性層の結合状態を制御でき、自由磁性層部分を孤立させることができる上で、メモリ動作に適していることが示された。
【０１６２】
（実施例７）
パルスレーザー蒸着手法（PLD）及びマグネトロンスパッタ法を用いて以下の要領でサンプルを作製した。
【０１６３】
サンプル７−１
SrTiO3(100)基板/ SrRuO3(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(80)/ Gd0.7Ca0.3BaMn2O6(100)/ La0.7Sr0.3MnO3(1.2)/ Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15) （カッコ内の単位はnmで厚さを示す。）として、図２０Ａ−Ｉに準じる素子構造を作成した。
【０１６４】
PLD法を用いて、各層は約６００-８５０℃の基板温度にて作成され、NiFe、Cu、CoFe、Ru、IrMn各層は、スパッタにて室温（２７℃）の基板温度で作成を行った。製膜及び各成膜間での搬送はin-situで行った。
【０１６５】
積層体にＥＢ（電子ビーム）加工及びフォトリソグラフィックな手法により図２０Ａ−Ｉに準じる工程により加工を施した。ここでSrRuO3層は電極として、LaSrMnO層は強磁性層として、GdCaBaMnO層は転移層として、さらにLa0.7Sr0.3MnO3/Ni0.81Fe0.19/Co0.5Fe0.5層で自由磁性層を、Al2O3層で非磁性層、Co0.5Fe0.5/Ru/Co0.5Fe0.5/IrMn層で固定磁性層を設けている。
【０１６６】
ここで、Ni0.81Fe0.19(20)/ Co0.5Fe0.5(1)/ Al2O3(1.5)/ Co0.5Fe0.5(9)/ Ru(0.9)/ Co0.5Fe0.5(9)/ IrMn(15)の磁性多層膜はTMR型構成を有した磁気抵抗変化部を形成している。
【０１６７】
非磁性絶縁層のAl2O3は、Alを製膜したうえで酸化工程を経ての後酸化工程による作製を行い、この際に、Al:0.4nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化、Al:0.3nm製膜、自然酸化と、多段階的に行って作製した。酸化後のAl2O3は、1.5nmの膜厚であった。
【０１６８】
S―W端子間に電圧0.１Ｖ≦Ｖ≦２０Ｖの範囲にて印加し、Ｂ−Ｓ端子間にいずれのサンプル素子においても少なくとも２０％以上の抵抗差が検出でき、所望の素子ができていることが示された。
【０１６９】
（実施例８）
実施例３で示したサンプル３−２を基本素子として、図１１に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリを１ブロックとし合計８ブロックとした。
【０１７０】
サンプルの素子断面積は0.2μm×0.3μmで、形状は、図１５Ａとしている。
【０１７１】
また、ワ−ド線及びビット線などは全てＣｕを用いた。
【０１７２】
ワ−ド線とビット線間の電圧印加及びワード線を用いた磁界印加を行うことにより、８つのブロックの、８素子にそれぞれの自由磁性層の磁化反転を情報に応じて同時に書き込みを行い、８ビットずつの信号を記録した。次に、パストランジスタとして作成したCMOSのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１素子ずつONし、センス電流をＰ−Ｆ間すなわちセンス線−ビット線間に流した。このとき、各ブロック内でのビット線、素子、及び電界効果トランジスタ(FET)に発生する電圧と、ダミ−電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれの素子の出力電圧から、同時に８ビットの情報を読みとった。
【０１７３】
この際の自由磁性層の長軸と短軸の比は1.5：1（短軸は0.2μm）とし、形状を図１５Ａ〜Ｅに変えた集積メモリを作製した。これらのメモリの記録に要する消費電力は、図１５のＢ〜Ｅの形状では図１５Ａの形状の約3/5〜1/2程度であった。
【０１７４】
（実施例９）
ＦＥＴトランジスタを配した基体上にて構成された本発明の実施例の素子８１を用いたリコンフィグアブルメモリ素子の構成例を図１６に示す。図１６で示した、磁気抵抗素子部分の抵抗をＲｖと表すとすると、電界効果トランジスタＦＥＴ１（８２）のゲート部にかかる電圧Ｖ０は負荷抵抗Ｒｉ、電界効果トランジスタＦＥＴ２（８３）のＯＮ抵抗をＲｃを用いて、
Ｖ０＝［Ｖｉ×（Ｒｖ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖ＋Ｒｃ）
と表すことができる。
【０１７５】
磁気抵抗素子部は、磁性層の磁化方向の平行・反平行に応じて、その抵抗がＲｖｐ、Ｒｖａｐと異なることから、磁気抵抗素子部の抵抗が変化することでＶ０の大きさに違いが表れる。ここで、Ｒｖｐ＜Ｒｖａｐとする。このことから、前式は、
Ｖ０ｐ＝［Ｖｉ×（Ｒｖｐ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖｐ＋Ｒｃ）
Ｖ０ａｐ＝［Ｖｉ×（Ｒｖａｐ＋Ｒｃ）］／（Ｒｉ＋Ｒｖａｐ＋Ｒｃ）
と書き直され、Ｖ０ｐ＜Ｖ０ａｐの関係が得られる。
【０１７６】
電界効果トランジスタＦＥＴ１（８２）のゲート部の閾値電圧ＶをＶ０ｐ＜Ｖ＜Ｖ０ａｐなる範囲に設定することで、磁気抵抗素子部のメモリに応じて電界効果トランジスタＦＥＴ１の動作を制御することができる。
【０１７７】
これは、例えば、負荷回路３１として論理回路を用いた場合には、不揮発プログラム素子、また負荷回路を表示回路装置とすれば、静止画像などの不揮発保存などに使用でき、これら複数の回路を集積したシステムＬＳＩとして用いることができる。なお、図１６中で、ＦＥＴ１（８２）やＦＥＴ２（８３）はウェエハ上に作成できるもので、３２で示したのは負荷回路の負荷電圧である。
【０１７８】
以上説明したように、本発明によれば、少なくとも１つの転移層と、少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの自由磁性層があり、自由磁性層の少なくとも１つと転移層が磁気的に結合され、転移層が、電子又はホ−ルの注入又は誘起により少なくとも強磁性発現の磁性相転移を行うことで、自由磁性層の磁化方向を変化させ、その自由磁性層の磁化情報を記録し読み出す磁気メモリや、磁気抵抗効果部の抵抗変化を利用した様々な磁気デバイスとして利用することができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力又は加速度センサ−又は熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図２】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図３】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図４】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図５】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図６】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の斜視図である。
【図７】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施例におけるメモリの出力検出動作の説明図である。
【図１１】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１２】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１３】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１４】本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む概略配線図である。
【図１５】Ａ−Ｅは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の自由磁性層の面内形状図である。
【図１６】本発明の一実施例におけるリコンフィギュアラブルメモリデバイスの磁性スイッチング素子を含む概略構成図である。
【図１７】Ａ−Ｂは本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む動作説明図である。
【図１８】Ａ−Ｂは本発明の一実施例におけるメモリの磁性スイッチング素子を含む動作説明図である。
【図１９】本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の概略断面図である。
【図２０】Ａ−Ｉは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の作製工程概略図である。
【図２１】Ａ−Ｆは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の作製工程概略図である。
【図２２】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の構成図である。
【図２３】Ａ−Ｂは本発明の一実施例における磁性スイッチング素子の構成図である。
【図２４】本発明の一実施例における電圧制御の磁気メモリ素子構成図である。
【符号の説明】
【０１８０】
１  転移体
２，１１  電極
３  自由磁性体
４，１３  反強磁性層
５，１１  強磁性層
６，１４  絶縁層
７  基層
８  非磁性層
９  強磁性層（固定磁性層）
１０，１５，１５'  多層膜
６１  磁性スイッチング素子
６２  磁気抵抗素子部
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2005129908.tif 000027